[分享]TMD超高层结构设计

作者：彭超

随着计算水平和建造技术的发展，工程师不断突破天空的极限，一栋栋摩天大楼拔地而起。关于这些超高层是如何建造的，小i带着疑问查阅了相关资料，很多细节以及专业的施工技术十分复杂小i也不是很懂，本期就和大家分享一些有意思的环节和一些意外的发现。

 

▲ 摩天大楼排行榜

  挖坑  

万丈高楼平地起，要想建超高层，基础要打牢，在横向荷载（风、地震）作用下，势必要挖很深的基坑才能有力的“握住”上部塔楼，一般建筑的埋深为上部高度的1/18左右。

▲ 高度与埋深

传统的挖坑方法就是先在土中做好周边一圈支护结构，挡住侧向土方和渗水，然后一边做好临时支撑，一边持续挖土直至底板标高，之后再按序向上施工。

 

▲ 顺作法

由于超高层埋深会很深，为减小挖土对周边的影响以及缩短工期，往往会采用“逆作法”，首先同样做好支护结构，同时建筑物内部的有关位置浇打下中间立柱桩和立柱，作为施工期间于底板封底之前承受上部结构自重和施工荷载的竖向支撑。

 

▲ 逆作法

然后施工地面一层的梁板楼面结构，作为周围支护结构的侧向支撑，然后通过楼板的预留洞口再向下开挖土方和浇筑各层地下结构，直至底板封闭。同时，由于地面一层的楼面结构已完成，为上部结构施工创造了条件，所以可以同时向上逐层进行地上结构的施工。

 

▲ 逆作法过程

相较于顺作法，逆作法施工可少受风雨影响，且独立土方开挖可较少或基本不占总工期，可节省工时约1/3，且施工的各层结构大幅度削减了临时支撑和工作平台，一般可节省地下结构总造价的25%~35%。

 

   塔吊  

当建筑物出了地面后，我们就开始需要塔吊来进行各种材料的运输了，下面来看看塔吊是如何“长高”的。

 

▲ 塔吊

首先是搭设塔吊的钢基座并浇筑混凝土，当达到强度后开始搭建底部标准节单元，一般标准节为1.5mx1.5mx2.5m左右。然后通过移动式起重机分别吊装吊臂、配重臂和驾驶室。

 

▲ 塔吊初始搭建

▲ 吊装吊臂

那么塔吊是如何升高的呢？我们会发现靠近顶部有比一般标准节大点儿的部分。

▲ 塔吊顶升（图中带栏杆部分）

里面有液压撑杆，当需要抬高时，液压顶升一个标准节空间，然后再通过吊臂放入标准节即可。通常塔吊依附建筑外部或者在架立在电梯井中。

 

▲ 塔吊顶升示意

塔吊工人通过中间的爬梯上至驾驶室，或者搭乘电梯到一定楼层再攀爬，时常还要完成高空安装作业，白天一般很少下来，十分的辛苦。

 

▲ 攀爬塔吊

▲ 高空作业

据说塔吊工人的工资在所有工种里是比较低的，但常常又面临着很多未知的风险。经不完全统计，2000年以来，全球共有约1000多起塔吊事故，造成712人死亡。其主要原因有安装拆除不当、不规范操作、强风及其他恶劣天气等。

 

▲ 塔吊事故占比

▲16年在美国曼哈顿城，由于工人当天收工后以不正确的角度降低了塔吊的吊臂，导致在第二天的强风下塔吊倒塌，造成一死三伤。

   混凝土  

 

超高层大多采用框筒结构，那么核心筒的混凝土的如何运输上去的呢？一般100m以下的高层采用移动泵车，通过超长的吊臂来泵送混凝土。

 

▲ 移动泵车

▲ 泵送原理示意

对于300m、400m乃至更高的建筑，采用高压泵输送混凝土，此时导管中混凝土堵塞，管道磨损和混凝土自身强度和可塑性的保证成为重大的挑战。

▲ 哈利法塔

迪拜塔建造中，通过抽水试验和现场平置管道的模拟试验，来评价混凝土的压力特性和预期摩擦。

 

▲ 现场泵送试验

迪拜塔剪力墙在450m以下采用的是高抗压的C80混凝土（最大粒径14mm~20mm），450m以上采用C60混凝土；楼层板采用C50混凝土。

 

▲ 超高压BSA 14000 SHP-D泵

输送中考虑到泵管和混凝土的自重，在墙体内预埋了钢板支架。

 

▲ 泵管安装

混凝土浇筑达到强度后就开始绑扎上层的钢筋，然后模板通过液压装置抬升，再浇筑上层结构，如此往复。

 ▲ 爬升模板

施工到塔冠算是最开心的事情了，意味着土建即将封顶。那么附着的塔吊怎么拆除呢？具体的细节小i不是很清楚，但有种思路就是另外再搭设小塔吊拆大塔吊，然后持续着小拆大、小拆大…最后通过擦窗机把最小一级的塔吊再拆除，通过电梯管井运下去。

 

▲ 顶部塔吊拆除（红色拆橙色）

   TMD  

对于超高层，在风和地震作用下，要保证室内人群的舒适度，往往会采用设置TMD（TunedMass Damper）——调谐质量阻尼器，通过在主结构上增加一个辅助机构（质量块+弹簧+阻尼），来耗散外力给结构带来的能量。

 

TMD的关键在于主结构受到外力作用时，提供一个与原结构频率几乎相等，与结构运动方向相反的力，如果频率相差较多也起不到良好的减振作用。

 

▲ 水平TMD示意

最著名的TMD位于台北101塔冠，重约660吨，耗资约400万美元，现已成为台湾的热门旅游景点。

 

▲ TMD@台北101

阿联酋有许多着名建筑采用TMD，其中一个是标志性的七星级酒店Burj Al Arab。由于建筑物靠近大海并且其几何形状易受涡旋风的影响，最初的想法是改变建筑物的形状，遭到建筑师强烈反驳，后来通过使用分散在建筑物外部中的11个5吨水平TMD解决了这个问题。

 

▲ TMD@Burj Al Arab

阿联酋另一个使用TMD的着名建筑是谢赫扎耶德路附近的阿联酋大厦。这些塔在顶部尖顶上装有6个1.2吨水平调谐质量阻尼器，以控制由于顶部细长而产生的振动。

▲ TMD@阿联酋大厦